Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования. 19
1.1. Технические возможности повышения эффективности; использования энергетических ресурсов в сельскохозяйственном производстве. 19
1.2. Краткий обзор и анализ средств контроля и автоматизации; технологических процессов (объектов) І первого уровня. 23
1.3; Использование средств вычислительной техники; в сельскохозяйственном производстве: 30
1.4. Краткие сведения о математических моделях технологических процессов (объектов) сельскохозяйственного назначения. 34
1.4.1. Краткий обзор уравнений математической физики: 42
1.5. Основные задачи исследования. 50
2.1 Обоснование метода научных исследований особенности построения моделей» объектов и процессов сельскохозяйственного назначения: 54
2.1. Обоснование метода научных исследований: 54
2.1. Г. Математическое моделирование и вычислительный:
эксперимент-основа синтеза оптимальных систем. 54
212. Идентификация параметров моделей процессов І ш объектов сельскохозяйственного назначения с использованием
вариационных методов решения экстремальных задач. 59
2.2.1. Постановка и особенности задачи идентификации-. 59
2.2.2. Корректность постановки и регуляризация задачи определения параметров модели. 61
2.2.3. Методика решения задачи идентификации. 64
212.3. Пример. Идентификация параметров модели разогрева двигателя трактора "КировецК-701" 68
2.3. Исследование теплофизических характеристик капиллярно - пористых и коллоидных материалов. 74
2.3.1. Обоснование метода определения теплофизических характеристик капиллярно — пористых материалов 74
2.4. Определение параметров переноса и коэффициентов граничных условий методом решения обратных задач. 81
2.4. Г. Вводные замечания. 81
2.4.2. Определение эффективного коэффициента теплоотдачи с поверхности обогреваемого бетонного пола. 82
2.4.3. Определение численных значений коэффициентов влагопереноса в тепличной почве. 87
215. Выводы к главе 2. 90
3. Исследование тепло-влажностных режимов в профилированной почве 91
3.1. Общие замечания: 91
3.2. Математическое описание процессов тепло- имассопереноса в корнеобитаемом слое почвы 91
3.2.1. Граничные условия теплопереноса на поверхности почвы 92
3.2.2. Граничные условия влагопереноса на поверхности почвы 105
3.2.3. Граничные условия на нижней границе почвенного массива; 106
3.3. Исследование процессов тепло- и влагопереноса в профилированных почвах на ЭВМ. 108
3.3. Подготовка математического описания процессов тепло- и влагопереноса. 108
3.4. Результаты решения задачи задачи тепло— и влагопереноса в профилированной почве. 113
4. Оптимизация конструктивных и энергетических параметров электронагревательных устройств . 123
4.1. Разработка системы электрообогрева субстрата в стеллажных теплицах 123
4.1.1. Вводные замечания 123
4.1.2. Математическое описание процессов теплопереноса в обогреваемом стеллаже . 124
4.1.3. Выбор метода решения. .130
4.1.4. Определение энергетических и конструктивных
параметров ЭНУ обогреваемого стеллажа. '. 133
4.1.5. Определение геометрических параметров защитного экрана электронагревательного устройства. 139
4.1.6. Определение параметров регулирующих устройств
температуры субстрата 144
4.2. Определение конструктивных и энергетических параметров устройства электроподогрева дна канала дляудаления навоза. 150
4.3. Оптимизация конструктивных и энергетических параметров элеюгрогелиоводонагревателей для доильных площадок 157
4.3.1. Описание установки 157
4.3.2. Математическое описание работы электрогелиоводоподогревателя...161 4.3.3; Результаты исследования электрогелиоводоподогревателя. 167
5. Постановка задачи синтеза адаптивного алгоритма управления 171
5.1. Назначение, цель и основные задачи синтеза адаптивных алгоритмов управления 171
5.1.1. Обоснование и выбор методов адаптации 171
5.1.2. Методика постановки задачи синтеза адаптивного алгоритма управления.. 178
5.2. Решение основных задач адаптивного управления 183
5.2.1. Идентификация. 183
5.2.2. Принятие решения (определение оптимальных значений управляющих воздействий).. 187
5.2.3. Исполнение принятого решения 189
5.3. Синтез и исследования системы управления на полунатурной моделирующей установке 189
5.4. Пример. Разработка адаптивного алгоритма управления для подсистемы раздачи концкормов. 191
5.5. Адаптивные алгоритмы управления с минимальной дисперсией. 203
5.5.1. Вводные замечания. 203
5.5.2. Описание и модификации алгоритмов с минимальной дисперсией. 204
5.5.3. Анализ полюсов и нулей системы управления с РМД: 207
5:5.4. Устойчивость замкнутого контура управления: 210
5.5:5. Влияние весового коэффициента на регулируемую величину. 211
5:5.6. Методика проектирования алгоритма управления с минимальной дисперсией. 213
5.5.7. Синтез адаптивного алгоритма с минимальной дисперсией на примере управления пропашным агрегатом. 215
6. Оптимизация технологических процессов сушки зерна в шахтных зерносушилках 222
6.1. Объект исследования 222
6.1.1. Критерии оптимизации и тенденции развития систем
управления сушкой семенного зерна. 226
6.21 Построение математической модели процесса сушки зерна 230
6.2.1. Математическое описание процесса сушки в слое зерна. 230
6.2.2. Математическое описание процесса сушки зерна
в шахтных зерносушилках 235
6.3: Методика решения системы уравнений процесса сушки зерна в шахтных сушилках. 241
6.3:1. Идентификация модельных коэффициентов. 243
6.3.2. Блок формирования климатических условий и влажности поступающего зерна. 245
6.4. Теоретические и экспериметальные исследования шахтной зерносушилки С-20. 247
6.4.1. Техническая характеристика зерносушилки С-20
и режимы сушки.. 247
6.4.2. Оптимизация конструктивных и энергетических параметров: шахтной зерносушилки С-20. 249
6.5. Синтез подсистемы управления сушкой
семенного зерна в шахтной зерносушилке С-20 257
6.5.1. Функциональная схема системы сбора данных и управления процессом сушки зерна 257
6.5.2. Алгоритм управления. 259
6.6. Установка для экспериментального исследования макетного образца ПУССЗ методом вычислительного эксперимента. 264
6.7. Результаты исследований макетного образца ПУССЗ. 266
6.7.1. Определение качества ПУССЗ из переходного процесса. 268
6.7.2. Определение качества ПУССЗ в режиме нормального функционирования 273
6.8. Выводы к главе 283
7. Экстремальные системы управления. 284
7.1. Вводные замечания. 284
7.2. Методы оптимизации (поиска экстремума) 287
7.2.1. Определение градиента показателя качества. 289
7.2.2. Методы определения параметра h. 291
7.3. Выбор средств управления и обоснование структуры экстремальной системы управления; 293
7.4. Анализ нелинейных и динамических свойств экстремальных систем сельскохозяйственного назначения 296
7.4.1. Формулировка исходных выражений для критерия качества 297
7.4.2. Описание динамических свойств объекта управления. 299
7.4.3. Нелинейности средств управления. 302
7.5. Сглаживание помех в экстремальных системах управления 305
7.6. Этапы решения задачи синтеза алгоритма экстремальной системы управления 306
7.7. Экстремальное управление положением линии тяги при работе пахотного агрегата 308
7.8. Экстремальное управление производительностью пахотного агрегата с изменяемой шириной захвата плуга 321
7.9. Выводы по главе 338
Общие выводы 340
Литература
- Использование средств вычислительной техники; в сельскохозяйственном производстве:
- Математическое описание процессов тепло- имассопереноса в корнеобитаемом слое почвы
- Математическое описание процессов теплопереноса в обогреваемом стеллаже
- Принятие решения (определение оптимальных значений управляющих воздействий)..
Введение к работе
Несоответствие сложных технологических процессов и объектов сельскохозяйственного производства методам их проектирования является объективной причиной их недостаточной эффективности и, прежде всего, при использовании энергоресурсов. В;современных условиях ликвидация такого несоответствия возможна на основе математических методов проектирования с применением современных средств; вычислительной техники, а также ее использования непосредственно в контурах контроля и управления технологическими процессами.
Последнее обстоятельство особенно важно для России. Дело в том, что наша страна еще только переходит "порог компьютеризации" сельского хозяйства, а, как известно, в странах с "компьютеризованным" сельским хозяйством производительность труда в 3-4 раза выше, чем в нашей стране. Особенно остро необходимость интенсификации отрасли обозначилась в условиях спада сельскохозяйственного производства. Валовые сборы зерна в России за последние годы [117,188] снизились до уровня 1937 г., мяса - 1963 г., молока -1962 г. Эффективность энергозатрат на получение сельскохозяйственной продукции остается крайне низкой. Производство одной тонны пшеницы, молока, мяса в США обходится в 2 - 3 раза дешевле по сравнению с Россией.
Исходя из сказанного, уже в недалеком будущем, основным аргументом при использовании сельскохозяйственной техники будет экономия топливно-энергетических, кормовых и финансовых ресурсов, т.е. ее насыщенность эффективными электронными средствами управления, обеспечивающими вышеуказанные требования.
Однако, несмотря на бурное развитие средств вычислительной техники и их относительно невысокую стоимость и доступность, к настоящему времени не удалось существенно улучшить качество и экономические показатели технологических процессов: Дело в том, что здесь значительную роль играют особенности сельскохозяйственного производства: сезонный характер работы, сильное влияние возмущений и их ярко выраженный случайный характер, большое разнообразие видов деятельности, неоднородность обрабатываемого сырья, включение в контура управления биологических объектов (животных, растений). Разработанные к настоящему времени методы управления; и их математическое обеспечение неспособны адекватно отразить эти особенности.
Таким образом, возникла необходимость разработки новых моделей и алгоритмов управления сельскохозяйственными машинами и технологическими процессами сельскохозяйственного производства на основе теории самообучающихся (адаптивных) систем управления, которые должны работать в условиях, при которых необходимо автоматически учитывать особенности управляемого процесса и приспосабливаться к ним с целью формирования управляющих воздействий, оптимальных не в "среднем", а на каждом шаге управления с учетом технологических и ресурсных, постоянно изменяющихся, ограничений и непредвиденных обстоятельств, например, изменения свойств обрабатываемого материала, тяглово-сцепных свойств энергетического средства, питательности корма, погодных условий и т.п.
Адаптация как способ приспособления к сложившейся ситуации является естественным явлением в живой природе. Однако, несмотря на широкую распространенность адаптации в живой природе (и обществе), она еще мало используется в искусственных и прежде всего в технических системах. Тем не менее, для сельского хозяйства это чрезвычайно важно. Сельское хозяйство, в основном, имеет дело с живыми организмами - животными и растениями, а также с почвами, которые, например, Докучаев и Вернадский также считали живыми, а живые организмы адаптируются по законам внутренней самоорганизации. "Поэтому на результаты наших воздействий с помощью существующих моделей можно полагаться только в достаточно краткосрочной перспективе, гораздо более краткосрочной, на которую рассчитывали их авторы. Реагировать на наши воздействия Природа будет не по правилам, заложенным в эти модели, а по собственным законам самоорганизации, о которых, увы, мы знаем пока очень мало" [155]. Однако,, в последнее время, очевидными .стали нарушения этих законов. Так, например, из произрастающих в Ленинградской области естественных и искусственных ценозов невозможно составить сбалансированный рацион согласно зоотехническим требованиям [194]. В [52] сообщается об одной из попыток составления- такого рациона, результаты которой свидетельствуют о том, что при удовлетворении зоотехнических требований к органическим веществам, минеральных веществ (кроме калия и фосфора) недостаточно и требуются, согласно нормам, искусственные добавки, причем значительные (от 20 до 70%), что нарушает естественный симбиоз агроценоза и животных, сложившийся согласно закону самоорганизации. Нарушение этой гармонии должно создавать внутреннее напряжение в организме животного, что приводит к его неполноценному существованию и ухудшению биологической оценки (для человека) его продукции.
Кроме того, следует учесть, что созданные человеком подсистемы в АСУ ТП производства молока, такие, как подсистемы вентиляции, микроклимата и др., наделены причинным назначением при конструировании (т.е. должны соответствовать своим целям - зоотехническим требованиям к газовому составу и температуре, соответственно), в то время, как основное звено управления -животное, развивается в соответствии со своими целями по законам внутренней самоорганизации.
Таким образом, для эффективного использования кормовых и энергетических ресурсов без нежелательных последствий, необходима непрерывная согласованность между целями человека и изменяющимися потребностями животного для максимального использования его генетического потенциала, т.е. необходимо использовать ресурсы в соответствии с законами самоорганизации, которые нам неизвестны.
Можно констатировать, что изложенное выше справедливо для многих процессов сельскохозяйственного производства, в том числе при обработке почвы (например, Докучаев считал почву живым существом [184]),
С другой стороны, выведение параметров среды из зоны адаптации растений и животных, с целью повышения продуктивности, требует неадекватных энергетических затрат. Например, урожайность зерновых в последние 50 лет увеличилась в 3 раза, в то время как затраты в энергетическом эквиваленте увеличились более, чем в 100 раз [141]. Кроме того, нередкими стали случаи бифуркации и бумеранга. Понятно, что изменить сложившуюся ситуацию, можно, используя адаптивные, т.е. естественные методы управления.
Решение отмеченных выше проблем возможно на основе современной технологии научных исследований, основанной на изучении математических моделей с помощью вычислительных.средств. Такая технология известна под названием "вычислительный эксперимент", являющийся наиболее высокой ступенью математического моделирования с использованием ЭВМ и численных методов для изучения математических моделей.
На основании вышеизложенного, общая цель исследования в диссертации заключалась в повышении эффективности использования-энергетических ресурсов в технологических процессах и объектах путем применения современной методологии проектирования, основанной на изучении математических моделей, учитывающих особенности сельскохозяйственного производства, и адаптивных алгоритмов в контурах управления.
Исследования ограничены первым уровнем иерархической структуры организации сельскохозяйственного производства.
Первые работы, посвященные исследованию и проектированию сельскохозяйственных объектов методами вычислительного эксперимента, принадлежат А.Т. Болотову, И.Ф.Бородину, С.А. Иофинову, А.Б. Лурье, И.И. Мартыненко, И.С. Нагорскому, К.С. Нерпину, Л.Г. Прищепу, Д.С. Стребкову, А.Ф. Чудновско-му, В Д: Шеповалову.
Труды этих ученых получили развитие в исследованиях Л.Е. Агеева, В .Р. Алешкина, А.Г. Бондарева, В:А. Борзенкова, М.И. Будыко, Г.А. Булаткина, Б.И. Вагина, В.И; Вайнруба, A.M. Валге, А.А. Григорьева, Г.А. Гуляева, А.М. Гуреви-ча, В.В. Гуськова, Е.И. Давидсона, В.Г. Еникеева, К.В. Зворыкина, В.Н. Карпова, Н.А. Колташова, В.Р. Крауспа, И.М. Михайленко, Б.Г. Михайлова, Ф.Ф. Муха-мадьярова, А.Н. Никифорова, В.Д. Попова, Л.Г. Раменского, В:А. Русанова, B.C. Сечкина, А.В: Симонова, В.А. Смелик, В.А. Сысуева, А.В. Судакова, В.Н. Суда-ченко, А.В. Тихомирова, И.Б. Ускова,Р.Ш. Хабатова, Д.И. Шашко, Г.П. Шипи-левского, F.B. Новикова и многих других. Научная новизна работы:
- математические модели технологических процессов тепло- и влагопе-реноса, вещественной средой которых являются: капиллярно-пористые материалы (профилированные почвы, стеллажи с растительным субстратом, наво-зосборные каналы, шахтные сушилки), с учетом их многокомпонентности, краевых эффектов, несимметричности:граничных условий и реальных изменений внешних возмущающих воздействий, а также методики их параметрической идентификации.
- методика вычислительного эксперимента для анализа и синтеза адаптивных алгоритмов с настраиваемой моделью и результаты ее использования на примерах синтеза алгоритмов управления раздачи концкормов в подсистеме кормления, входящей в состав АСУ ТП молочной фермы, и управления пропашным агрегатом при культивировании посевов посадок кукурузы.
- методика вычислительного эксперимента для исследования процессов сушки в шахтных зерносушилках. Разработан адаптивный алгоритм с настраиваемой моделью для подсистемы сушки зерна в шахтной зерносушилке С-20, входящей в комплекс технических средств послеуборочной обработки зерна.
- методика вычислительного эксперимента для анализа и синтеза экстремальных систем управления и результаты ее использования на примерах синтеза алгоритмов управления пахотным агрегатом с изменяемой шириной захвата плуга и его устойчивостью в горизонтальной плоскости.
Основные положения; выносимые на защиту:
- математическая модель процессов тепло- и влагопереноса в профилированных почвах и сравнительный анализ процессов в гребнях и грядах для супесчаных почв Тосненского района Ленинградской области. - математическая модель процесса теплопереноса в электрообогреваемом стеллаже для зеленого черенкования гвоздики ремонтантной; конструктивные и энергетические параметры электронагревательного устройства (ЭНУ); параметры двухпозиционной (Д) и пропорциональной (П) систем регулирования? температуры субстрата и их сравнительный анализ.
- теоретическое и экспериментальное обоснование возникновения транспортирующего слоя в самотечных системах удаления навоза при подогреве дна навозосборного канала; конструктивные и энергетические параметры ЭНУ дна канала.
- методики проектирования адаптивных алгоритмов управления-объектами сельскохозяйственного назначения с настраиваемой моделью в двух вариантах: 1 - с определением оптимальных значений управляющих воздействий на решениях настраиваемой модели на примере синтеза адаптивного алгоритма для подсистемы раздачи концентрированных кормов в составе АСУ ТП молочной фермы); 2-е непосредственным определением оптимальных значений параметров регулятора основного контура по результатам идентификации настраиваемой І модели (регулятор с минимальной дисперсией РМД): на примере синтеза алгоритма управления пропашным агрегатом.
- математическая модель процесса сушки зерна в шахтных зерносушилках; адаптивная подсистема управления сушки семенного зерна (ГТУЄСЗ) для сушилки С-20 в составе комплекта технических средств (KTG) послеуборочной обработки зерна.
- методика исследования экстремальных систем управления мобильными агрегатами; параметры экстремальных систем управления пахотным агрегатом, составленным из трактора МТЗ-82 и плуга ПИН-4-3 5 с изменяемой шириной захвата плуга, и его устойчивостью в горизонтальной плоскости.
По теме диссертации опубликовано 35 научных работ. Апробация работы:
Материалы исследований доложены и.обсуждены на заседаниях Ученого совета СЗНИИМЭСХ (1995, 1999, 2003 г. г.), на научно-практической конферен 17
ции "Вклад молодых ученых в решение задач научного обеспечения АПК Северо-Запада РФ (СПб. - Пушкин, 1999), на научных конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГАУ (1988, .1998, 2000-2004 г.г.), на международной конференции "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве" (Минск, 2000 г.), на 3-ей международной научно-практической:конференции "Экология; и сельскохозяйственная техника" (Санкт-Петербург, 2002 г.), на XI международной научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК Россию - проблемы развития машинных технологий и технических средств производства сельскохозяйственной продукции" (Москва, ГНУ ВИМ 2002 г.), на международном научно-техническом семинаре "Проблемы разработки автоматизированных технологий и систем автоматического управления сельскохозяйственного производства (Углич, 2002 г.), на научной сессии СЗНМЦ Россельхозакадемии "Научные основы создания современных адаптивных машинных технологий производства сельскохозяйственной продукции: состояние, опыт, проблемы" (СПб-Пушкин, 2002 г.), на координационных совещаниях СЗНМЦ (1999,2002,2003 г.г.).
Практическая ценность:
Все материалы, сопутствующие проведению работы (методики, программы и примеры), имеют общий характер и могут быть использованы при исследовании технологических объектов первого уровня в системе управления сельскохозяйственным производством.
Результаты исследований нашли применение :•
- при выборе профиля для супесчаных почв Тосненского района Ленинградской области;
- при разработке электронагревательного устройства и автоматизированной системы управления температурой субстрата в стеллажных теплицах. Разработанное ЭНУ внедрено в Ленинградском производственном объедине- нии "ЦВЕТЫ". Экономический эффект с 1 м стеллажной теплицы составил 345 руб. Он получен за счет сокращения срока черенкования (что позволило снимать продукцию 12 раз в год вместо 8 — без обогрева) и увеличения выхода укорененных черенков в среднем на 5 % при каждом производственном цикле.
- при разработке исходных требований на подсистему управления сушкой семенного зерна ПУССЗ. Подсистема управления процессом сушки семенного зерна (ПУССЗ) является автономной разработкой и функционирует в составе комплекса технических средств; (КТС) послеуборочной обработки и хранения семенного, фуражного и продовольственного зерна. Испытания проведены в совхозе "Скреблово" Лужского района Ленинградской области;
- при разработке экспериментального образца экстремальной системы управления пахотным агрегатом, составленным из трактора МТЗ-82 и плуга ПИН-4-35 с изменяемой шириной захвата.
Исследования, на основании которых подготовлена диссертация, выполнялись в соответствии с тематическим планом СЗНИИМЭСХ РФ, в которых автор принимал участие на уровне ответственного исполнителя. Научными руководителями в разное время были доктора технических наук: A.M. Валге, В.И. Вайнруб; В.Н. Карпов, В.Ф. Вторый; кандидаты технических наук: В.Н. Судаченко, В;В.Чистяков, А.Ф. Эрк, Л.Г. Хоцко, В.Ф. Клейн.
Фамилии основных соисполнителей указаны как соавторы в публикациях.
Следует отметить, что основной вклад автора в работе (70-100 %), относится к методической части, математической постановке задач и их решению, и незначительный в части экспериментальных исследований и внедрения в производство.
Использование средств вычислительной техники; в сельскохозяйственном производстве:
Развитие теории и техники микро-ЭВМ явилось мощной предпосылкой к созданию автоматических установок, реализующих достаточно сложные алгоритмы управления, включая адаптивные, которые являются основой самообучающихся систем.
Таким образом, доступность, стоимость, технические характеристики (в первую очередь объем памяти, быстродействие и надежность), а также средства связи с объектами управления- и информационного обеспечения? определяют возможности разрешения такой актуальной проблемы как разработка средств, методов и программного обеспечения самообучающихся, систем сельскохозяйственного производства.
Для фермеров в странах с развитым сельскохозяйственным производством не стоит вопрос о целесообразности использования компьютеров и созданных на их основе систем управления. Они ставят вопрос: "Сколько электронных средств ему нужно и сколько это стоит" [15]. Например, в Германии, у фермеров уже значительно больше производственных, чем административных компьютеров. В частности, в сельском хозяйстве западных земель уже к 1990г. насчитывалось более 50000 компьютеров. В США, в начале 80-х годов 5%, а в 1986г. 40% фермеров использовали компьютеры. В 1990г. планировалось использование компьютеров уже в 75% фермерских хозяйств [190]. 1С настоящему времени это число значительно увеличилось. Из всего количества ЭВМ, находящихся в сельскохозяйственном производстве США; 38% фермеров используют в животноводстве, 23% -для ведения финансовых операций и документирования, и остальные - для решения задач управления в растениеводстве [167].
С 1991 г. в США для нужд сельского хозяйства производятся серийные компьютеры моделей IBM-PC и IBM-XT. Более 170 фирм США предлагают фермерам 756 различных пакетов прикладных программ [15]. Цена одной программы составляет в среднем 1,5 тыс. долларов. На программное обеспечение американский фермер затрачивает 30-40 % стоимости; приобретаемой им персональной микро-ЭВМ [9].
Широкое внедрение, компьютерной; техники в сельскохозяйственное производство США обусловлено появлением информационных систем, с помощью которых фермер получает данные о стоимости кормов, состоянии рынка и т.д. [20].
Подобная.картина.наблюдается в Нидерландах,.Великобритании, Франции, Дании, Австрии и других развитых странах. Фермеры этих стран убедились в их надежности, эффективности использования для решения многих коммерческих и производственных задач, в значительной экономии средств и времени. При покупке компьютерной техники фермер несет значительные затраты, но они окупаются скоро, вследствие снижения затрат труда, расходов на топливно-энергетические ресурсы, корма и т.д. [20].
В последнее время электроника стала использоваться не только при компьютеризации стационарных технологических процес сов (тепличное хозяйство, мясо-молочное производство, переработка и хранение продукции и т.д.). Выставки "Сима-93" и "Сима-95" дают основание утверждать, что тракторное и сельскохозяйственное машиностроение стремительно входят в век электроники и компьютеризации [196]. Практически все ведущие сельскохозяйственные фирмы ведут работы по созданию и производству многофункциональных бортовых компьютеров для самоходных и прицепных машин [162,165,166,191,196].
Теория адаптивных систем начала развиваться» с начала 50-х годов [11,117,230] и в настоящее время, как отмечается;в [195], "в современной теории управления адаптивные и самоорганизующиеся системы по числу научных публикаций неизменно занимают первое или второе место среди всех направлений". Обстоятельные; обзоры по адаптивным системам приведены в [152,195,240,221,222,243].
К сожалению, в нашей стране данный процесс находится в начальной стадии. Оснащенность АПК в 1990г. приборами и средствами автоматизации была более, чем в 2 раза ниже, чем в других отраслях. Предприятия и организации АПК лишь на 5% потребности оснащены, автоматизированными системами управления и вычислительной техникой. Только небольшое число ферм и тепличных хозяйств в нашей стране оснащено компьютерами [167,190]. Это означает, что мы стоим на пороге "компьютеризации" сельского хозяйства, который обещает быть очень интенсивным.
Описанное выше в первом приближении характеризует состояние использования компьютеров в сельском хозяйстве на современном уровне. Тща-тельный обзор литературы по информационным технологиям в животноводстве и растениеводстве [190,20], применению электроники в процессах послеуборочной обработки зерна [87,121] и использованию бортовых микрокомпьютеров для самоходных и прицепных машин [196] не выявил фактов использования адаптивных алгоритмов управления этими процессами и агрегатами. Однако к настоящему времени, имеются все предпосылки для разработки адаптивных систем управления; в основных отраслях сельского хозяйства, например, в животноводстве [190]: - переход от электронизации отдельных технологических процессов к внедрению единых интегрированных систем управления на базе персональных микро-ЭВМ;
Математическое описание процессов тепло- имассопереноса в корнеобитаемом слое почвы
Тепловлажностный режим почвы определяется формой и размерами ее профиля, теплофизическими свойствами и климатическими условиями. Почвы относятся к классу капиллярно-пористых материалов. При рассмотрении условий: произрастания! растений тепло-влажностные процессы, протекающие в почве и описываемые системой уравнений (1.29) можно существенно упростить. Это видно из следующих рассуждений. В первом: уравнении (1.18) критерий испарения , можно считать равным нулю, так как перенос тепла паром в капиллярно-пористых телах составляет не более 5 % от полного переноса тепла при температуре не выше 50 С [ 136]. Кроме того, интенсивность распространения поля влажности относительно: поля температуры в капиллярно-пористых материалах при обычных температурах, характеризуемая критерием Лыкова (Lu = auJat ) очень мала (Lu = 0,01 - 0,1 [136]). Небольшое значение имеет также термоградиентный коэффициент (8 0,001 [163]).
Приняв отмеченные выше допущения и предположения, процессы тепло-и массопереноса в почве можно записать следующим образом:
В системе уравнений (3.1) коэффициенты at и aUi в общем случае, зависят от температуры и влагосодержания. Решая систему (3.1) при соответствующих краевых условиях можно получить представление о пространственном и временном распределении температуры и влаги в профилированных почвенных массивах.
На рис. 3.1 представлено поперечное сечение профилированной почвы трапецеидальной формы [178]. Численные значения геометрических параметров гребней и гряд приведены в таблице 3.1.
Тепло- и массообмен на границе "почва — приземный слой воздуха" весьма сложен. Теплопередача происходит одновременно несколькими способами: кондукцией, конвекцией, излучением, в результате испарения или конденсации влаги, при выпадении осадков и т.д.
Роль способов теплопередачи в общем теплообмене различна и зависит как от теплофизических характеристик почвы и состояния приземного воздуха, так и от культуры и фазы развития растений [124,161]. Не менее важное значение на эти процессы оказывает профиль поверхности. Для формулирования условий на границе почва — приземный слой воздуха введем следующие упрощения: - граница "почва — приземный слой воздуха" представляет собой поверхность, совпадающую с поверхностью почвы; - теплофизические характеристики почвы и приземного воздуха, а также метеорологические параметры вдоль поверхности почвы не изменяются.
С учетом вышеизложенного нарис. 3.2 представлена схема тепловых потоков через поверхность "почва - приземный слой воздуха", в соответствие с которой уравнение теплового баланса на этой поверхности примет вид: Яъ=Я?-Я,-Як Я и (3.2) где Ят. плотность теплового потока через поверхность почвы, Вт/м , ЯР Як Ял Я и - плотности тепловых потоков, обусловленные интенсивностью солнечной радиации, конвекцией, тепловым излучением и испарением с поверхности почвы, соответствен-но, Вт/м . Рассмотрим каждый из тепловых потоков, составляющих баланс на поверхности почвы, отдельно.
Тепловой поток, обусловленный солнечной радиацией.
Солнечная радиация, поступающая на поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно от Солнца, называется прямой солнечной радиацией. На актинометрических станциях измеряется прямая солнечная радиация #рР, поступающая на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность. Количество солнечной радиации, приходящейся на горизонтальную поверхность #р зависит от высоты Солнца над горизонтом [90]: ql=q; .Sin{a\ (3.4) где а - высота Солнца над горизонтом,
Проходя через атмосферу, солнечная радиация частично рассеивается молекулами газов воздуха, твердыми и жидкими частичками. Часть радиации q\y , поступающей на земную поверхность после рассеивания, называется рассеянной (диффузной) радиацией. Общий приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность Ъ=я1+ЯЛ (3-5)
Геометрические соотношение, описывающие положение плоскости, определенным образом ориентированной относительно Земли в какой — либо момент времени, и прямого солнечного излучения, то есть положение Солнца относительно этой плоскости, могут быть записаны с помощью ряда углов. Для плоскости, ориентированной произвольным образом, это выражение будет иметь вид [90,103]:
Математическое описание процессов теплопереноса в обогреваемом стеллаже
Растительный субстрат состоит из 30 % вермикулита и 70 % низинного торфа. Эти материалы относятся к классу капиллярно-пористых тел, что позволяет процессы тепло- и влагопереноса в растительном субстрате описать системой уравнений (1.29).
При рассмотрении растительного субстрата обогреваемого стеллажа как объекта автоматического регулирования температуры, тепловые процессы в нем, описываемые системой уравнений (1.29) можно существенно упростить, что следует из следующих рассуждений: - зеленое черенкование производится в условиях искусственного тумана, при которых влажность растительного субстрата не изменяется и соответствует полной влагоемкости; - процессы изменения влажности в субстрате существенно инерционнее процессов изменения температуры. Численное значение значение критерия Лыкова (Lu) [136], характеризующего интенсивность.распространения поля влажности относительно поля температуры, например при 75 % (что соответствует полной влагоемкости): Lu = amlat — 1,01 10" [33].
Из сказанного можно сделать вывод, что изменение температуры, вызванное изменением влажности, происходит значительно медленнее, чем изменение температуры, обусловленное оперативным изменением мощности нагревательного устройства, с помощью которого система "борется" с действующими на регулируемую величину возмущениями. Это обстоятельство позволяет рассматривать процессы изменения температуры и влажности растительного субстрата независимо.
Кроме того, в первом уравнении (1.29) критерий испарения % можно считать равным 0, так как перенос тепла паром в капиллярно — пористых материалах составляет не более 10 % от полного переноса тепла при температуре не выше 50 С [136].
Приняв отмеченные выше допущения, процесс теплопереноса в растительном субстрате может быть описан дифференциальным уравнением теплопроводности (1.21).
Процесс теплопереноса, протекающий в растительном субстрате стеллажа, связан с тепловыми процессами во всех его элементах, изготовленных из капиллярно-пористых материалов.
Таким образом, стеллаж с растительным субстратом представляет составное капиллярно-пористое тело, процесс теплопереноса в; котором с учетом источников внутренних тепловыделений (мощность ЭНУ) описывается уравнением:.
Граничные условия на поверхности субстрата определяем из баланса тепловых потоков на его поверхности (см. рис. 4.1): Ч\ (т) = %х М 0л, (r)-qKi {r)-qh (т), (4.4) где #1 \J) - суммарная плотность тепловых потоков через поверхность суб-страта, Вт/м ; Я.рх\р) Члх \?) Чкх V" pQiy \Р ) - плотности тепловых потоков, обусловленные солнечной радиацией, лучистым и конвективным теплообменом поверхности субстрата с воздушной средой теплицы и испарением с его поверх-ности, Вт/м .
Выразив в уравнении (4.4) составляющие баланса тепловых потоков через параметры воздушной среды (см. п. 2.2.1) с учетом конструктивных особенностей теплицы, получим граничные условия теплообмена поверхности субстрата с воздухом теплицы : (dtA дт \ "г1 +аі(С- іп) = Jn (4.5) где сс1 - коэффициент теплоотдачи с поверхности субстрата, обусловленный совместным действием лучистого и конвективного теплообмена с воздушной средой теплицы: а, =6,85 Вт/(м2-К) [59]; К = . +[% - ХпЛп (A vB+/?2X in +D-BtB-C(p lav . приве-денная температура воздуха над поверхностью субстрата, "С; tB — температура воздуха в теплице, С; К = (1 - Гоп» М1 К Xі - ш Vу (1 - "чер Xі - пог Xі - ф Xі - Г\ )- Коэффициент преобразования солнечной энергии [124]; т огр, чер, г\ - альбедо ограждения теплицы, поверхности растительной массы и поверхности субстрата; /л - коэффициент прозрачности чистого стекла; тр кт, ку - коэффициенты, учитывающие влияние на интенсивность солнечной радиации загрязнения поверхности ограждения, непрозрачных конструкций и угла ската теплицы; кП0Т и кф - коэффициенты, учитывающие солнечную радиацию, поглощаемую зеленой массой растений и идущей на фотосинтез; qp - интенсивность солнечной радиации вне теплицы, Вт/м ; Хп - скрытая теплота испарения, Дж/кг; 77и — отношение скоростей испарения влаги с поверхности субстрата и с открытой водной поверхности; vB - скорость воздуха в теплице, м/с; (рв - влажность воздуха в теплице, %; Рх = 3,75-10-8 кг/(м3-Па); / = 4,79-10 8 кг/(м2-с-Па); у= 98,64 Па/К; D = 3730 Па; =138,23 Па/ С; С = 29,19 Па/%. Граничные условия на боковых и нижней поверхностях стеллажа запишем аналогично (4.5) без учета влияния солнечной радиации и испарения: А, л +«/( .- J=o (4.6) где а, - ссК/ + сг08;К - коэффициент теплоотдачи (см. п.3.2.1),Вт/(м2-К); Распределенный источник (qv Вт/м3) внутренних тепловыделений в нашем случае представляет ЭНУ, формулы для расчета параметров которого приведены ниже:
Принятие решения (определение оптимальных значений управляющих воздействий)..
Основным недостатком самотечных систем удаления навоза является его неполный сброс из навозосборного канала [45,210]. Для полного удаления навоза используется большое количество воды, что вызывает большие затраты, связанные, в том числе, и с обезвоживанием навоза при его утилизации [209]. Как показали исследования [45], транспортирующий слой можно создать с помощью подогрева дна канала при котором гарантируется полный сброс навоза.
На рис. 4.11 изображена конструктивно-технологическая схема удаления навоза с электроподогревом дна канала. Канал 1 выполнен с уклоном и перекрыт решеткой 2. Он снабжен плоским ЭНУ (нагревательный провод 4, закрепленный в цементно-песчаной стяжке 3), шибером 5 и коллектором 6. До начала сброса навоза из заполненного канала включают ЭНУ, которое нагревает поверхностный слой дна канала и нижний слой навоза. При этом увеличивается текучесть нижнего слоя. Возникший градиент температуры способствует оттоку влаги из навоза к поверхности дна канала и образованию транспортирующего слоя. Через некоторое время нагревательное устройство 3 отключается, открывается шибер 5 и навоз по образовавшемуся слою повышенной текучести транспортируется в коллектор без остатка.
Эксперимент по сбросу свиного навоза провели в лабораторных условиях на двух лотках длиной по 3 м и шириной по 0,3 м. в летнее время. Во втором лотке на дне оборудовали электронагревательное устройство из провода ПСХВТ в цементно-песчаной стяжке мощностью 100 Вт. Оба лотка заполняли свиным навозом. Через одну неделю (время достаточное для разделения навоза на фракции) производили сброс навоза с обоих лотков, причем ЭНУ включали за два часа до начала сброса. Качество сброса определяли по остатку навоза в лотке, который замеряли линейкой через каждые 0,5 м по длине лотка. В первом лотке остаток навоза не был менее 0,06 м, во втором лотке он практически отсутствовал.
Многократное повторение эксперимента показало, что при достижении температуры дна канала, превышающей начальное значение более, чем на 4-8 С, происходил полный сброс навоза независимо от температуры воздуха в свинарнике.
Объяснить это явление можно следующим образом.
Элементы навозосборного канала представляют капиллярно-пористые материалы, которые имеют значительную тепловую инерционность, поэтому тепловая энергия после включения ЭНУ в значительной степени концентрируется в слое навоза непосредственно прилегающему к его поверхности, не успевая рассеиваться. При этом, вследствие резкого теплового расширения, происходит разрушение сложившейся структуры слоя и вытеснение влаги к нагретой поверхности канала. Выделившаяся при этом парогазовая смесь в слое способствует образованию новой структуры с меньшим влагосодержанием, что, в свою очередь, вызывает движение влаги к поверхности с более высокой температурой (эффузия влаги [135]).
Для обеспечения условий полного сброса навоза в производственных условиях необходимо разработать ЭНУ с соответствующими энергетическими и конструктивными параметрами, так как экспериментальная установка отличается от используемых каналов и, прежде всего, размерами.
Решение задачи провели методом вычислительного эксперимента, используя модель теплопереноса в элементах канала, схема поперечного сечения которого представлена на рис. 4.12.
Элементы конструкции канала, твердая и жидкая фракции навоза, а также среда, в которую помещен канал (песок, грунт), представляют сложное (составное) многокомпонентное тело (см. рис. 4.12), тепловые процессы в котором описываются нелинейным уравнением (4.1) теплопроводности с соответствующими условиями однозначности.
Решение системы (4.1) при соответствующих краевых условиях и требованиях к тепловому режиму позволит определить мощность и распределение элементов ЭНУ.
Размеры поперечного сечения конструкции канала неизменны и во много раз меньше, чем длина, поэтому поставленную задачу следует рассматривать в двумерной постановке.
Таким образом, данная задача аналогична задаче, рассмотренной в п. 4.1.2, отличаясь граничными условиями на боковых и нижней поверхностях принятой для исследования схемы. В нашем случае процесс рассматривается в течении непродолжительного времени, и поэтому размеры схемы ограничены пределами, где тепловой процесс не зависит от изменения температуры в активной зоне. Итак, граничные условия на этих поверхностях соответствуют граничным условиям 1-го рода и приняты равными значениям температуры в свинарнике на соответствующих глубинах, согласно исследованиям, представленным в [93].
Количество влаги на дне канала, обусловленное ее притоком из прилежащего слоя навоза за время от начала включения ЭНУ до сброса навоза можно вычислить, используя выражение (см. второе уравнение системы 1.29) Jm=-auY05S7yt (4.30) где jm — поток влаги, обусловленный градиентом температуры, кг/(м -с); аи— коэффициент потенциалопроводности, м /с; Уо - плотность обезвоженного навоза, кг/м3; 3 — термоградиентный коэффициент, кг/(кгС). В (4.30), в силу изложенного выше, 3 0. В связи с тем, что численные значения параметров аи и 3 неизвестны, количество влаги можно определить с точностью до постоянного множителя С = аиуйо ;.
Похожие диссертации на Оптимизация использования энергетических ресурсов в технологических процессах сельскохозяйственного производства методами вычислительного эксперимента
